风力发电机组的传感器（风力发电机常用传感器）

风力涡轮机可能看起来像摩天大楼一样高，但它们依靠数十个低成本微型传感器来监控其运行，以确保高效和安全的运行。

从表面上看，现代风力涡轮机看起来就像是21世纪的风车，通过其转子叶片将风能转化为电能，而不是像过去那样利用风能来研磨谷物或抽水。再深入一点，风力涡轮机结合了机械和电气工程的创新，创造了一个杰作。尽管风力发电机的转子长度可达79米，塔架高度超过183米，但其传感器等关键部件的尺寸却只有几厘米。这些传感器确保庞然大物的发电机能够在面临压力、振动和其他危险时安全运行。

传感器在风电场中的作用

如果没有传感器，风力发电机的安全性不仅会降低，而且运营成本也会增加。潜在的故障无法准确预测和解决，导致预期寿命不足25年。更重要的是，风电场需要有关每台发电机及其重要部件的精确数据，而这些数据需要由连接在一起并连接到控制中心的传感器提供。

风力涡轮机是工业物联网的典型示例：它们拥有从传感器到关联网络所需的一切，尽管它们通常使用以太网而不是无线连接。风电场工业物联网可以充分利用风速、功率、偏航角、齿轮箱温度等历史数据来分析设备的运行趋势。这允许操作员创建一个模型来预测将检查哪些零件以及何时检查。所有信息、状态警报和其他监控结果都可以通过智能手机、平板电脑或计算机查看并采取行动。

为什么这些传感器如此重要？因为它们可以随时监控风力发电机的结构、内部敏感位置和系统部件。风力涡轮机非常复杂，通常有8,000 多个部件。它们巨大的叶片和塔架安装在数千吨的钢筋混凝土平台上，直径15至30米，深6至10米。

缓慢移动的叶片通过变速箱转换为高速转子（连接到发电机）。变速箱被放置在一个称为“车厢”的集装箱上，该集装箱的大小与公共汽车相当，重约45吨。有些客舱非常大，甚至可以在顶部安装直升机停机坪。这样的风力涡轮机平台的重量将超过272吨。

最近，英国安装了世界上最大的风力涡轮机之一，发电量为5.3GW，可供500万用户使用。今年5月，丹麦能源公司DONG Energy为位于爱尔兰海利物浦湾的Burbo Bank海上风电场新增了32台海上发电机。这对于可再生能源来说具有重要意义，因为它标志着8MW风力发电机组的诞生。首次投入商业使用，其发电机功率比以前增加了一倍。新发电机高约195m，转子长80m。转子旋转一圈可为普通家庭供电29 小时。

最强大的风力发电机是维斯塔斯风力系统公司的维斯塔斯164，功率为9MW，转子长度为178m，扫风面积为20566 m，重量为32吨。风力发电机整体高度219米（约72层楼高），整体重量超过1800吨。从图3中您可以看到该风力发电机的转子有多大。

传感器的关键作用

在风力涡轮机中，有许多不同类型的电子和光学传感器。一般来说，它们有以下功能：

检测、监控参数信息并与之交互，例如两个相邻组件之间距离的变化

监测振动水平，如果振动幅度太大，可能会发生严重损坏

监测温度、压力和机械应力的变化

涡流传感器

涡流传感器是风力涡轮机中最常见的传感器之一，可检测导电材料进入移动磁场时产生的电流变化。当这种情况发生时，磁场的强度可以转化为距离的变化。

在风力发电机中，涡流传感器用于测量轴的润滑油层间隙，以确保受压的轴始终被油膜覆盖，以保证润滑。由于这些传感器可以在充满油的环境中工作并具有一定的压力和温度，因此它们可以在这些恶劣环境下可靠地监测油隙。如果间隙过大并超过极限，传感器就会发出警报，因此可以在轴卡住之前或卡住时进行预防性维护。

这些传感器还用于测量发电机轴承在外壳内轴向和径向旋转的方式，称为跳动规格。在径向上，这种情况会导致轴旋转偏离中心（不是“真正”），并且在轴向上会导致轴以微小角度旋转。虽然偏差是不可避免的，但轴承磨损可能会超出可接受的水平，如果超出限制（通常由高风载荷引起），则必须关闭发电机并进行维修。显然，实时监控可以确保在轴承严重损坏甚至灾难性故障发生之前进行维护。

最后，涡流传感器还可用于测量由振动、风载荷或其他可能导致结构完整性随着时间推移而降低的因素引起的旋转效应（力矩或扭矩）。它们还可用于测量离合器片的轴向、径向或切向偏转，以确保在强风中安全转子制动。

运动探测器

位移传感器可用于监测结构完整性。虽然风力发电机所需的基础平台由大量混凝土制成，但由于塔架较高，发电机转子和机舱巨大，整个结构实际上是“顶载”，因此必须安装在风力发电机组上。根据。监控系统的完整性。

激光位移传感器可用于执行此功能，检测因风或海浪反复冲击而引起的塔内轻微振动。激光位移传感器的工作原理是将光束发射到远距离的光接收器上，将两者之间的偏差和位移转换为距离。激光三角测量传感器将传感器、发射器和接收器组合成三角形，用于类似的目的。由于这些设备非常精确，它们可以检测到非常小的变化，因此可以创建趋势数据来确定问题是否恶化以及恶化的速度。

另一种用于精确测量位移的传感器是电容式位移传感器，它测量发电机定子和转子之间的距离。这个距离称为发电机气隙。它的工作原理是，彼此靠近的导电表面之间存在电容，电容的变化与表面之间的距离成正比。这种测量方法使得传感器可以在高温、高电场环境下工作。

拉绳位移传感器将拉绳缠绕在轴传感器上。由于拉绳可以很长，因此可以测量远离被测物体的距离变化。当拉绳从线轴拉动或缩回时，线轴旋转，传感器将其转换为变化的电信号。在风力涡轮机中，可以通过测量阻尼器的位置来测量气流。

根据应用的不同，拉绳传感器可与各种旋转传感器配合使用，例如电位计、霍尔效应传感器、模拟或数字非接触式传感器等。例如，Bourns AMS22B5A1BHASL334N 非接触式模拟旋转传感器采用磁感应技术，耐振动、抖动、液体和灰尘，工作温度范围为-40oC 至125oC。其输出分辨率为12位，线性度为0.3%。

加速度计

加速度计用于测量速度或速率的变化。在风力涡轮机中，它们用于检测主轴承、偏航轴承和旋转轴承以及其他旋转部件（例如主发电机输出轴）的振动。测得的振动数据可用于预测可能出现的故障。

Analog Devices 的ADXL1001 和ADXL1002 MEMS 加速度计是不错的选择。其测量结果具有高分辨率、低噪声密度、稳定的灵敏度，并且可以承受高达10,000mps2的冲击。这两款器件还具有自诊断和超范围指示功能，并在-40C 至+125C 温度范围内运行。

风速传感器

风速传感器安装在机舱顶部，可以是机械式或超声波式。由于超声波风速传感器不需要每次都重新校准，因此广泛应用于现场维护困难的场合。超声波传感器使用声波来测量物体之间的距离。传感器发出低频声波，然后被目标物体反射。通过记录声波的发射和返回时间，可以计算出传感器与物体之间的距离。

Texas Instruments PGA460/PGA460-Q1 超声波处理器及其驱动器SoC 具有信号调节器和DSP 内核，可通过由低噪声放大器和可编程增益级组成的模拟前端调节反射信号，并将信号输出到模拟放大器。到数字转换器，然后使用时变阈值对数字化信号进行近场和远场目标检测。

温度感应器

温度传感器放置在温度容易升高的地方，用于指示某些子系统组件的过热情况。 TE Connectivity 的PTF 系列铂温度传感器的测量范围为-200C 至+600C，并使用薄膜电阻器作为传感元件。该系列传感器体积小、重量轻、漂移小、反馈时间短。

综上所述

传感器在风力涡轮机中至关重要，那么传感器本身会发生故障吗？答案当然是肯定的。为了解决这个问题，可以在同一位置使用多个传感器，第二个传感器作为备份，以便在第一个传感器出现故障时可以自动切换。除了使用备用传感器外，风电场和其他能源系统中使用的传感器还必须满足以下要求：宽工作温度范围、防尘防水达到IP67或IP68，有时还需要坚固的外壳。

与任何不断发展的技术一样，风能发电有利有弊，有时故障仅仅是电子元件，而不是发电机或涡轮叶片故障。与所有工业应用一样，传感器在减少这些故障的发生方面发挥着重要作用。电涡流传感器、位移传感器、加速度计、风传感器和温度传感器都是监测发电机和确定是否需要维护的关键。因此，这些大型机器可能会更多地使用传感器。毕竟，使用10 美元的组件来保护昂贵的涡轮叶片免受灾难性故障的影响是非常值得的。

审稿编辑：郭婷